Energetyka konwencjonalna

Zygmunt Szefliński

Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów szef@fuw.edu.pl

http://www.fuw.edu.pl/~szef/

Energetyka konwencjonalna odnawialna i jądrowa

Wykład 8 - 27.XI.2018

Wykład 8

Energia atomowa i jądrowa

Atomy i jądra

Rozmiary atomów

Po podzieleniu objętości molowej przez stałą Avogadro uzyskamy objętość zajmowaną przez pojedynczy atom gazu.

Rozmiar liniowy takiej objętości to pierwiastek trzeciego stopnia z objętości. Tak więc atomy gazu są oddalone od siebie:

Weźmy dla przykładu atom glinu, Al (wybieram Al , ponieważ jest to metal z dobrze upakowanymi atomami, o masie atomowej glinu

bliskiej 27 i gęstości =2,7g/cm³).

Zauważmy: cząsteczka powietrza ma gęstość trzy rzędy mniejszą od gęstości ciała stałego (_w=1g/cm³ , _pow=1,25g/l).

cm cm

V a

mol cm cm N

V cm _o

A

8

3 24 3

3 3 24 23

3 3

0 17 10 17 10 2,5 10

/ 10 6

10

10 _{  }















 





3 20

23

3 3

0

3 , 7 10

/ 10 6

22415 22415

mol cm cm N

V cm

A



 





cm cm

V

a 



37  10

 3 , 3  10

Elektron – ładunek i masa elektronu

kg C

m

q  1 , 7586  10

kg kg C

C m

e

m

e

19

10 109 ,

10 9 7586 ,

1

10 602 ,

1

 



 



Jądro atomowe

 Podobne pomiary, jak dla promieni katodowych,

przeprowadził Thomson dla promieni dodatnich. Zastosował skrzyżowane pola elektryczne i magnetyczne i stwierdził, że promienie dodatnie mają również jednoznacznie

określone wartości q/m.

 Przy założeniu, że ładunek jonu jest równy ładunkowi elementarnemu Thomson mógł wyznaczyć masę jonu

wodoru, która zgodnie z oczekiwaniem okazała się 1836 razy większa od masy elektronu.

 Thomson obserwował więcej niż jedną wartość q/m dla niektórych czystych chemicznie gazów. Badanie q/m dla neonu o masie atomowej 20,18 wskazało na dwa rodzaje neonu o identycznych własnościach chemicznych, ale o różnych masach atomowych 20 i 22. (Izotopy)

Liczba atomowa i masowa

Liczba nukleonów (protonów i neutronów) w jądrze to liczba masowa (A), która jest liczbą całkowitą, zbliżoną do masy atomowej pierwiastka.

Liczba atomowa, decydująca o właściwościach chemicznych pierwiastka, to liczba protonów w jądrze, decyduje ona o ładunku jądra i jednocześnie o liczbie

elektronów w powłoce atomowej, a jest oznaczana symbolem Z.

Liczba neutronów jest oznaczana symbolem N.

Liczba masowa, A=N+Z wskazuje ile razy atom cięższy jest od atomu wodoru.

Tylko nieliczne substancje

chemiczne składają się tylko z jednego rodzaju atomów.

Budowa jader (A, Z)

12 C

6 ₂ ⁴ He

Odkrycie jądra

atomowego

Rozmiary jąder,

eksperyment Rutherforda

Przykładowe bezwzględne wartości promieni jader atomowych to:

R (He)=2 fm, R(Mg)= 4 fm, , R( U ) = 7,5 fm, fm=10^-15 m).

Przedstawienie modelowe

Pestka wiśni,moneta d=1cm 10 ⁴cm=100m – wysoka wieża

m r

 4  10

m

r

 5  10

Rozmiary atomów i jąder

10

m 10

~

15

m 10

~

2

m 10

~

2

m 10

~

Przykładowe atomy -schemat

helu Atom

wegla

Atom

Masa protonu-

gęstość materii jądrowej

W jednym gramie wodoru znajduje się liczba atomów równa liczbie Avogadro (N_A= 6x10²³ ).

Gęstość materii w nukleonie jest rzędu:

Dziś wiemy, że jądra atomowe składają się z protonów i neutronów, a ładunek jądra niosą tylko protony. Neutrony to

cząstki neutralne o masie zbliżonej do masy protonu.

g g

m

1 , 67 10

10

6

1



 



 

3 4

24

mln 230

10 3 , 2 2

, 1

10 67 , 1

cm ton cm

g fm

g

N

   



 

Przykład rozmiarów

Promieniotwórczość

Henri Becquerel 1896

Pierwiastki promieniotwórcze

Przemiany spontaniczne

Spontanicznymi nazywamy procesy realizowane samorzutnie, w odróżnieniu od reakcji, dla których niezbędne jest oddziaływanie między "pociskiem" a

"tarczą". Mówimy wówczas o przemianie spontanicznej, bądź o rozpadzie.

Podstawową charakterystyką przemiany

spontanicznej jest prawdopodobieństwo jej realizacji.

Miarą jego jest stała zaniku  , lub jej odwrotność,

 =1/, czyli średni czas życia .

W fizyce jądrowej, rozważając przemiany

promieniotwórcze, często używa się innej wielkości

okres połowicznego zaniku, T

= ln 2.

Prawo rozpadu promieniotwórczego

Rozpady obiektów nietrwałych podlegają

statystycznemu prawu, które można zapisać w postaci;

Rozwiązanie:

Rozwiązanie po zlogarytmowaniu:

dt N

dN   

t N N   

 

t N

N  ln  

ln e

N

N 

2 /

2

0 T

t

N  N

2 / 1 0

;

2 T

m t

N  N



Prawo rozpadu promieniotwórczego

Krzywa rozpadu promieniotwórczego w skali logarytmicznej

t N

N  ln

 

ln

Aktywność źródła

dt N

A  dN   

e

N

N 

e

dt N

A  dN    

Liczba jąder:

Aktywność:

Aktywność źródła

Aktywnością promieniotwórczej próbki nazywamy liczbę rozpadów,

zachodzących w jednostce czasu.

Jednostki aktywności to:1Ci - 1 kiur 1 Ci=3.7  ₁₀

rozpadów na sekundę, oraz znacznie mniejsza jednostka:

1Bq = 1bekerel = 1 rozpad na sekundę.

1Ci

w równowadze promieniotwórczej z 1 g radu

Scieżka stabilności

n J

Y U

n 





 3

Stabilne izotopy to:

J Y

89 39

;

W rozszczepienu powstają izotopy

neutrono-nadmiarowe:

Rozpad 

Z A

Z A

X _1Ye^e

Z  Z+1

rozpad trójciałowy, w stanie końcowym mamy trzy obiekty, trzecią cząstką, trudną w rejestracji jest neutrino

Rozpad beta

14C ¹⁴N+ beta

Rozpad 

Rozpady  - widma

e A

Z A

Z

X 

Y  e

 

X 

Y  e

 

Jak wykryć neutrino

Obfite źródło antyneutrin elektronowych stanowi reaktor jądrowy, bardzo dużą "tarczę" protonów stanowi ciekły scyntylator (ok.1400 litrów)

Rozpad  ⁺

Z  Z - 1 Pozytonium

detektory detektory

Linia odpowiedzi LOR

Jak powstaje

obraz PET

(C₆O₅FH₁₁) (¹⁸F)